基于MVB總線的北京地鐵八通線國產化網絡系統適用性研究

趙媛媛，鄭子彬, 畢素楠, 鄔春暉, 游 文，閆煥彬

(1. 北京市地鐵運營有限公司 運營二分公司，北京 100043； 2.中車青島四方車輛研究所有限公司 電子事業部，山東 青島 266031；3.北京地鐵車輛裝備有限公司，北京 100043 )

目前國外地鐵網絡系統主要分為2種控制策略：第1種是以西門子、阿爾斯通、龐巴迪為代表的歐洲系，它們的網絡系統偏向于采用軟件去實現相應的車輛功能，即網絡系統不僅負責監視和報警，而且負責控制；第2種是以日本為代表的，它們整體的設計思路偏向于采用硬線去實現相應的車輛功能，而網絡系統僅僅負責監視和報警，不參與控制。國內從2007年開始，大部分網絡系統供貨商引進歐洲系的控制策略，采用軟件去實現監視、報警和控制的功能，硬線作為備份。

綜合目前城市軌道交通的發展趨勢，總線形式趨向于MVB(Multifunction Vehicle Bus)總線，而且按照城市軌道交通國產化率的要求，國內各大地鐵運營公司在網絡系統產品的采購上，逐步采用國產化產品。

1 地鐵列車通信網絡

地鐵列車通信網絡是用于地鐵列車這一特殊環境中的工業控制計算機局域網絡，它是一個綜合監控系統，可以實現對地鐵列車的牽引、制動、輔助、車門、空調、車載廣播等子系統的綜合控制、狀態監視以及故障診斷。早期的地鐵列車大多采用硬線進行列車控制及信息傳輸，列車網絡帶寬低，傳輸數據量小，常用的有FSK(Frequency-shift keying)總線、RS485總線、CAN總線等。現在，隨著工業控制技術的迅速發展以及列車控制方式的改變，地鐵列車越來越多地依靠列車網絡進行列車控制、監視以及診斷信息的傳輸，所采用的列車網絡通信方式主要有MVB總線、WorldFIP總線、ARCNET總線等。

2 原車網絡系統

原車網絡系統拓撲結構如圖1所示。北京地鐵八通線列車采用6輛編組，原車網絡系統為日本進口，列車總線采用FSK，車輛總線采用RS485。

圖1 北京地鐵八通線原車網絡系統拓撲結構

RS485采用差分信號負邏輯，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6) V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6) V表示，是一種常用的工業現場串行總線。

FSK是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息，它是利用基帶數字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數字調制技術。FSK主要應用于早期鐵路機車的列車總線，通信方式采用兩線式半雙工通信方式，通信速度為19 200 b/s，同步方式為起止同步，連接方式為輪詢，編碼方式為反向不歸零碼，調試方式為基帶調制，傳輸介質為120 Ω屏蔽雙絞線。

原車列車監控系統由監控中心-端末裝置、端末裝置以及列車監控顯示器組成。其中，監控中心-端末裝置包括中央控制單元、遠程輸入輸出單元、電流環通信網關；端末裝置包括遠程輸入輸出單元、電流環通信網關。

連接到網絡系統的各子系統有制動、牽引、輔助、客室報警、車門、司機臺等設備和信息。其中制動、牽引、輔助系統采用20 mA電流環通信，其余子系統通過DI采集信號處理。

3 國產化列車網絡系統

結合列車的廠修修程，對北京地鐵八通線原車網絡系統進行了國產化改造。相比于原車系統，八通線國產化網絡系統對網絡拓撲、硬件設備、軟件功能等各方面進行了優化、改進，可更好地滿足業主需求，更好地實現對車輛的操控及維護。國產化網絡系統主要有以下創新：(1)升級改造后采用MVB網絡，A/B路冗余總線制式，較原車可靠性增強；(2)優化了相關網絡控制功能，包括空調的單車溫度設置、模式設置等；(3)數據記錄儀全數據記錄，且增加了業主需求的硬線信號采集，便于后續車輛狀態分析；(4)預留車地無線通信接口，便于后續實現車地通信；(5)MVB信息傳輸內容增多，主要包括硬線信號采集增加，與牽引、制動、輔助系統的通信內容增加等；(6)系統間接口協議統一，提高了軟件開發效率，縮短了施工周期，便于項目整體資源的協調和管理；(7)國產化設備較原車進口部件設備成本可控，維護性強，技術支持和售后服務響應迅速。

國產化網絡系統拓撲結構如圖2所示。國產化網絡系統采用滿足IEC 61375-1：2012《鐵路電氣設備 列車總線 第1部分：列車通信網絡》標準要求的MVB總線作為列車和車輛總線，系統原理及與網絡系統的接口與原車保持不變。

MVB多功能車輛總線利用差分曼徹斯特編碼來傳輸數字信息，是TCN標準推薦的車輛級總線，廣泛應用于高速動車組列車以及城軌列車[1]。列車網絡控制系統按照IEC 61375-1：2012標準規定的列車通信網絡組建，列車網絡控制系統的總線采用兩層總線結構，列車總線和車輛總線均采用MVB，電氣接口為電氣中距離(EMD)介質。MVB傳輸介質為屏蔽雙絞線；通信速率為1.5 Mb/s；最多可以掛256個智能總線站；基本周期可以為1，2，4，8，…，1 024 ms，最多可以定義4 096個報文。

HMI.顯示屏；ERM.數據記錄儀；VCU.中央控制單元；RIOM.遠程控制單元；485GW.網關；ATC.信號系統；MDCU.車門系統； HVAC.空調控制系統；PIS.廣播系統；VVVF.牽引系統；BCU.制動系統；BC.充電機；REP.中繼器。圖2 北京地鐵八通線國產化6輛編組網絡系統拓撲結構

MVB通過VCU實現列車級和車輛級總線控制。各個子系統的控制單元主要包括：牽引控制單元、制動控制單元、輔助逆變器控制單元、空調控制單元等[2]。整個列車網絡控制系統包括車載硬件、操作系統、控制軟件、診斷軟件、監視軟件和維護工具等。每臺Mc車上有1個VCU，2個VCU互為冗余。每臺Mc車上安裝1個數據記錄儀(ERM)，用于整列車運行數據及故障數據記錄等。原車的VVVF、SIV將進行國產化，并采用MVB通信形式。每輛車都配有RIOM單元，用于其他各子系統的信號采集。在M和T1車上各安裝1臺冗余中繼器用于列車線的中繼傳輸。空調子系統采用MVB總線連接TCMS，由TCMS進行統一監視和控制。列車及車輛總線系統符合有關列車通信網絡IEC 61375-1：2012及TB/T 3035—2002 《列車通信網絡》，列車監控系統硬件滿足EN 50155：2007《機車車輛電子設備》。列車網絡系統為所有子系統設備留有標準的通信接口，并具有成熟可靠的接口通信規范，使得所有車輛子系統能可靠接入。

4 功能對比

原車列車網絡系統主要實現監視功能，用于對車載各主要設備的運行狀態、故障信息進行收集與記錄并通過設置在司機室內的監控顯示器進行顯示。列車監控系統由監控中心-端末裝置、端末裝置以及列車監控顯示器組成。彼此間采用串行數據通信方式。另外，列車監控系統還配有外接式數據讀出裝置[3-4]，通過數據讀出裝置能夠進行特定參數的設定以及將監控系統所記錄的故障信息讀出和打印。

與原車相比，國產化網絡系統在保證原有功能的基礎上主要增加了空調控制功能，司機及檢修人員可通過人機接口單元對空調系統進行集中控制，監視空調機組各模塊的工作狀態、各客室溫度等信息，并且為實現北京地鐵1號線與八通線貫通后空調隧道與地面線段冷暖轉換預留了接口；還增加了級位信息(PWM信號)采集，用于牽引、制動控車需求，且預留了與廣播系統實現自動廣播接口。顯示屏界面為車輛與司機及檢修人員交互的接口，為適應司機操作，界面風格與原方案一致，與司機操作相關的界面保持不變；同時，增加了一些實用的顯示內容，主要有幫助界面、通信狀態界面、制動自檢界面、版本界面、傳送信息界面等。整體國產化網絡系統功能設計更加能夠適應北京地鐵網絡化運營的需求，將信號系統的ATS系統通過網絡與廣播系統、PIS系統進行聯動觸發，形成智能化控制的集合體。

5 國產化過程中的問題

國產化網絡系統在替換過程中出現的問題及解決措施[5]如下：

(1) 與原車系統的接口問題，包括協議格式、協議內容等。在國產化替換實施中，由于僅作牽引、制動、網絡系統的更換，而原有空調、廣播、車門系統不做廠修替換，導致網絡系統在調試期間出現與原系統協議內容及格式等對應不上的現象，整個網絡系統不穩定。解決措施：協調各廠家完成車上接口測試、485校驗位等核對。

(2) 硬件接口問題。國產化后網絡系統設備仍保持原有機械接口、電氣接口不變，導致出現多個設備共用一個空氣開關的情況。由于網絡設備沖擊電流較大，導致空氣開關頻繁跳閘，后續經過增加空氣開關容量，避免了此問題的發生。

(3) 車輛調試期間出現網絡設備閃爍掉線、網絡通信不穩定的現象，經查是由于牽引系統編碼線錯誤，導致其他系統與牽引系統存在沖突。查實后將編碼線改正，網絡系統運行穩定。

目前，配裝國產化網絡系統的列車已經完成廠內靜態、動態型式試驗，系統運行穩定。與原車系統相比，國產化方案在保證原車功能的基礎上，針對用戶需求進行了改進和創新，增加了部分功能，提高了信息化程度，使得司機可以掌握更多的列車狀態信息，有利于操控車輛，也有助于檢修人員更好地維護車輛、排查故障。